JP6905356B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Description
図1は、実施形態に係る電力変換装置1を示す模式図である。電力変換装置1は、例えば、直流電力を3相交流変換するDC/ACコンバータである。電力変換装置1は、入力端子A1、A2に入力される直流電力を3相交流電力に変換し、出力端子B1〜B3に接続された交流電動機などの負荷10に供給する。
ここで、QT(=Q×t)は累積発熱量、Cは熱容量、rは比抵抗、ρは密度、cは比熱である。
例えば、半導体素子40がシリコンを材料とするパワー半導体素子であり、溶断部57の材料が銅もしくは銅合金である場合、tr=10μ秒、Tm=1085℃、TR=25℃として計算すると、単位電流あたりの断面積Sは、14×10−6mm2/Aとなる。すなわち、1Aの電流が断面積14×10−6mm2を有する溶断部57を流れた場合、その温度は、短絡電流が流れ始めてから10μ秒で、銅の融点1085℃に達する。したがって、断面積Sを短絡電流×14×10−6mm2以下とすることにより、溶断部57は、短絡電流の流れ始めから10μ秒以内で溶断されるように形成することができる。
例えば、半導体素子40がシリコンを材料とするパワー半導体素子であり、溶断部57の材料がアルミニウムもしくはアルミニウム合金である場合、溶断部57の断面積Sの上限は、tr=10μ秒、Tm=660℃、TR=25℃として計算する。その結果、断面積Sの上限は、短絡電流×26×10−6mm2となる。これ以下の断面積Sを有する溶断部57は、短絡電流の発生から10μ秒以内でアルミの融点である660℃に達し、溶断される。短絡電流は、例えば、パワー半導体モジュール30の定格電流の10倍に設定する。
例えば、半導体素子40が炭化シリコン(SiC)を材料とするパワー半導体素子の場合、tr=5μ秒として、溶断部57の断面積Sの上限を算出する。例えば、溶断部57の材料が銅もしくは銅合金の場合、断面積Sは、10×10−6mm2/A以下となる。また、溶断部57の材料がアルミニウムもしくはアルミニウム合金の場合、断面積Sは、短絡電流×18×10−6mm2以下となる。
図10は、第2実施形態に係る電力変換装置4を示す模式図である。図10には、2つのパワー半導体モジュール90を含む変換相20が示されている。パワー半導体モジュール90は、半導体素子40a、40bおよび回路遮断素子50を含む。
Claims (11)
- 同時期に同じスイッチング動作を受け付ける複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の少なくとも1つに直列接続される回路遮断素子と、
を備え、
前記複数の半導体素子の少なくとも1つ、および、それに直列接続された前記回路遮断素子の複数の組は、並列接続され、
前記回路遮断素子は、絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた金属層と、を有し、
前記金属層は、外部配線にそれぞれ接続される第1部分および第2部分と、溶断部と、を含み、
前記第1部分および前記第2部分は、相互に離間して設けられ、
前記溶断部は、その両端において前記第1部分および前記第2部分に接続され、
前記半導体素子および前記回路遮断素子を通過して流れる電流の流路において、前記電流の流れる方向に垂直な断面は、前記溶断部において前記第1部分および前記第2部分よりも小さく、
前記複数の半導体素子は、前記少なくとも1つの半導体素子の故障に起因した短絡電流iを検知した時点から時間trが経過した後に、その動作を停止させる保護回路により制御され、
前記溶断部の断面積は、
で表される面積S以下であり、Tmは前記金属層の融点、T R は室温、rは前記金属層の比抵抗、ρは前記金属層の密度、cは前記金属層の比熱であるパワー半導体モジュール。 - 前記絶縁体は、セラミック基板である請求項1記載のパワー半導体モジュール。
- 前記金属層は、銅もしくは銅合金を含む請求項1記載のパワー半導体モジュールであって、その定格電流をIMAXとした時、
前記溶断部における前記断面の面積は、IMAX×10×14×10−6mm2以下であるパワー半導体モジュール。 - 前記複数の組数をNとした時、
前記溶断部の前記断面の面積は、(IMAX×10/N)×14×10−6mm2以上である請求項3記載のパワー半導体モジュール。 - 前記回路遮断素子は、前記溶断部を複数有し、
前記断面の面積の総和は、IMAX×10×14×10−6mm2以下である請求項3記載のパワー半導体モジュール。 - 前記金属層は、アルミもしくはアルミ合金を含む請求項1記載のパワー半導体モジュールであって、その定格電流をIMAXとした時、
前記溶断部における前記断面の面積は、IMAX×10×26×10−6mm2以下であるパワー半導体モジュール。 - 前記複数の組数をNとした時、
前記溶断部の前記断面の面積は、(IMAX×10/N)×26×10−6mm2以上である請求項6記載のパワー半導体モジュール。 - 前記回路遮断素子は、前記溶断部を複数有し、
前記断面の面積の総和は、IMAX×10×26×10−6mm2以下である請求項6記載のパワー半導体モジュール。 - 前記回路遮断素子は、半導体素子の低電圧側および高電圧側の少なくともいずれか一方に配置される請求項1〜8のいずれか1つに記載のパワー半導体モジュール。
- 前記回路遮断素子は、前記複数の半導体素子のうちの2以上の並列接続された半導体素子に直列接続される請求項1〜9のいずれか1つに記載のパワー半導体モジュール。
- 同時期に同じスイッチング動作を受け付ける複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の少なくとも1つに直列接続され、前記複数の半導体素子の少なくとも1つに流れる電流を遮断することが可能な回路遮断素子と、
を備え、
前記複数の半導体素子の少なくとも1つ、および、それに直列接続された前記回路遮断素子の複数の組は、並列接続され、
前記回路遮断素子および前記複数の半導体素子の少なくとも1つを流れる前記電流の経路における金属配線は、前記回路遮断素子において他の部分よりも前記電流の密度が高い部分を有し、
前記回路遮断素子は、前記電流により前記密度が高い部分が溶断されることにより前記複数の半導体素子のそれぞれを分離し、
前記複数の半導体素子は、前記少なくとも1つの半導体素子の故障に起因した短絡電流iを検知した時点から時間trが経過した後に、その動作を停止させる保護回路により制御され、
前記電流の流れる方向に垂直な前記密度の高い部分の断面積は、
で表される面積S以下であり、Tmは前記金属層の融点、T R は室温、rは前記金属層の比抵抗、ρは前記金属層の密度、cは前記金属層の比熱であるパワー半導体モジュール。
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